Bez ohledu na třídu zařízení pro analýzu určitých signálů je nutné přenést zkoumané signály na vstupy zařízení. Velmi zřídka lze jejich zdroje přiblížit vstupům osciloskopů a analyzátorů. Často se nacházejí ve vzdálenosti od zlomku metru do několika metrů. To znamená, že mezi zdroji signálu a vstupy osciloskopu a analyzátorů jsou zapotřebí speciální přizpůsobovací zařízení.
Sondy se obvykle používají pro následující důležité účely:
- vzdálené připojení osciloskopu k výzkumnému objektu;
- snížení citlivosti kanálů vertikální (někdy horizontální) výchylky a studium signálů zvýšené úrovně (pasivní sondy);
- oddělení měřicích obvodů od uzlů osciloskopu (optické sondy);
- velký útlum signálu a výzkum signálů ve vysokonapěťových obvodech (vysokonapěťové sondy);
- zvýšení vstupní impedance a snížení vstupní kapacity (kompenzované děliče a opakovací sondy);
- korekce amplitudově-frekvenční charakteristiky systému sonda-osciloskop;
- získávání proudových oscilogramů (proudových sond);
- izolace antifázových signálů a potlačení signálů v běžném režimu (diferenciální sondy);
- zvýšení citlivosti osciloskopů (aktivní sondy);
- speciální účely (například přizpůsobení výstupů zdrojů širokopásmového signálu vstupu 50 ohmů osciloskopu).
Je zřejmé, že role sond je velmi důležitá a někdy stejně důležitá jako samotné osciloskopy a analyzátory. Role sond je ale často podceňována, což je pro začínající uživatele těchto zařízení vážnou chybou. Následuje hlavní typy sond a dalšího příslušenství pro osciloskopy a analyzátory signálu a spektra a logické analyzátory.
Kompenzované dělící sondy
Nejjednodušší a nejdéle používanou sondou je pasivní sonda s kompenzovaným děličem napětí - viz obrázek 5.1. Dělič napětí je postaven na rezistorech R1 a R2 a R2 může být jednoduše vstupním odporem osciloskopu.
Postava: 5.1. Kompenzovaný rozdělovač
Parametry DC děliče se počítají podle vzorců:
Například pokud R2 \u003d 1 MΩ a R1 \u003d 9 MΩ, pak má RVX \u003d 10 MΩ a KD \u003d 1/10. Vstupní impedance se tedy zvyšuje 10krát, ale úroveň napětí dodávaného na vstup osciloskopu také 10krát klesá.
Obecně (na střídavý proud) pro přenosový koeficient děliče můžete napsat výraz (τ1 \u003d R1C1 a τ2 \u003d C2R2):
. (5.3)
S rovností časových konstant τ1 a τ2 tedy přestupový koeficient děliče přestává záviset na frekvenci a je roven jeho hodnotě při stejnosměrném proudu. Takový dělič se nazývá kompenzovaný. Kapacita C2 je celková kapacita kabelu, kabeláže a vstupní kapacity osciloskopu. V praxi musí být pro dosažení podmínky kompenzace upravena kapacita C1 (nebo C2), například pomocí trimru s proměnnou kapacitou - trimru (viz obr. 5.2.). Nastavení se provádí pomocí speciálního plastového šroubováku, který je součástí sady příslušenství sondy. Obsahuje různé tipy, adaptéry, barevné samolepky a další užitečné „drobnosti“.
Postava: 5.2. Standardní rozdělovač pasivního kmitočtu HP-9250
Při kompenzaci zkreslení obdélníkového pulzu (meandru), obvykle vytvářeného kalibrátorem zabudovaným do osciloskopu, neexistují žádné (viz obr. 5.3). Když vrchol pulzu klesne, je pozorována nedostatečná kompenzace, a když stoupne, je pozorována nadměrná kompenzace. Povaha oscilogramů je také znázorněna na obr. 3 (pořízeno osciloskopem TDS 2024 se sondou P2200). Doporučuje se kompenzovat největší možný obraz tvaru vlny příslušného kanálu.
Postava: 5.3. Oscilogramy pulzů z kalibrátoru osciloskopu Tektronix TDS 2024 při různých stupních kompenzace (shora dolů): normální kompenzace, nadměrná kompenzace a nedostatečná kompenzace
Při práci s vícekanálovým osciloskopem používejte sondy jednotlivě pro každý kanál. K tomu musí být sondy označeny (pokud to již není provedeno ve výrobě) samolepkami různých barev, obvykle odpovídajících barvám čar oscilogramu. Pokud se toto pravidlo nedodrží, kompenzace bude nepřesná kvůli nevyhnutelným změnám vstupních kapacit každého kanálu.
U děliče 1:10 musí být R1 9R2. To znamená, že kapacita C1 musí být 9krát menší než vstupní kapacita C2. Vstupní kapacita děliče je určena sériovým připojením C1 a C2:
(5.4)
Přibližná hodnota platí pro KD "1 a C1" C2. Při KD \u003d 10 je vstupní kapacita děliče téměř 10krát menší než vstupní kapacita osciloskopu. Je třeba si uvědomit, že C2 zahrnuje nejen skutečnou vstupní kapacitu osciloskopu, ale také kapacitu C1 zvyšuje o velikost montážní kapacity. Proto ve skutečnosti pokles vstupní kapacity děliče ve srovnání se vstupní kapacitou osciloskopu nebude tak patrný. To je však přesně to, co vysvětluje významné snížení zkreslení hrany pulzu při práci s děličem.
Zvýšení aktivní složky vstupního odporu děliče není vždy užitečné, protože také vede ke změně zátěže testovaného zařízení a získání různých výsledků při absenci děliče a při jeho použití. Proto jsou děliče často navrženy tak, aby vstupní impedance osciloskopu zůstala nezměněna jak při provozu bez děliče, tak při práci s ním. V tomto případě dělič nezvyšuje vstupní impedanci osciloskopu, ale stále snižuje vstupní kapacitu.
Zvyšování úrovně studovaných signálů
Maximální napětí na vstupu osciloskopu je dáno součinem počtu dělení jeho stupnice mřížky koeficientem svislého vychýlení. Například pokud je počet dílků stupnice 10 a koeficient odchylky 5 V / dílek, pak je plný výkyv napětí na vstupu 50 V. Často to nestačí ke studiu signálů ani na mírně vysoké úrovni - výše desítky voltů.
Většina sond vám umožňuje zvýšit maximální vyšetřované napětí při stejnosměrném proudu a nízké frekvenci z desítek V na 500-600 V. Při vysokých frekvencích však jalový výkon (a činný výkon uvolněný při ztrátovém odporu kondenzátorů sondy) prudce roste a musíte snížit maximální napětí na vstupu sondy - viz obrázek 5.4. Pokud tuto okolnost nezohledníte, můžete jednoduše vypálit sondu!
Postava: 5.4. Frekvenční závislost maximálního napětí na vstupu sondy
Nikdy nepřekračujte maximální napětí na vstupu sondy při vysokých frekvencích signálu. Mohlo by to přehřát sondu a poškodit ji.
Sondy vysokého napětí jsou typem pasivní sondy. Obvykle mají dělicí poměr 1/100 nebo 1/1000 a vstupní impedanci 10 nebo 100 MΩ. Dělicí odpory sond s nízkým výkonem obvykle vydrží bez přerušení napětí až 500–600 V. Proto musí být u vysokonapěťových sond rezistor R1 (a kondenzátor C1) vyroben pomocí sériově zapojených komponent. Tím se zvětší velikost hlavy sondy.
Pohled na vysokonapěťovou sondu Tektronix P6015A je znázorněn na obr. 5.5. Sonda má dobře izolované pouzdro s vyčnívajícím prstencem, aby se zabránilo sklouznutí prstů k zachycenému obvodu. Sondu lze použít do 20 kV ss a do 40 kV ve vysokém pracovním cyklu. Frekvenční rozsah osciloskopu s takovou sondou je omezen na 75 MHz, což je více než dost pro měření ve vysokonapěťových obvodech.
Postava: 5.5. Vzhled vysokonapěťové sondy Tektronix P6015A
Při práci s vysokonapěťovými sondami dodržujte nejvyšší možná opatření. Nejprve připojte zemnicí vodič a teprve potom připojte hrot sondy k bodu, kde chcete získat napěťový oscilogram. Při měření se doporučuje zajistit sondu a obecně si z ní sundat ruce.
Vysokonapěťové sondy jsou k dispozici jak pro digitální, tak pro analogové osciloskopy. Například sonda HV-P30 je k dispozici pro jedinečné širokopásmové analogové osciloskopy řady ACK7000 / 8000 se šířkou pásma až 50 MHz, poměrem dělení 1/100, maximálním sinusovým napětím (špička-špička) 30 kV a maximální pulzní napětí až 40 kV. Vstupní impedance sondy 100 MΩ, vstupní kapacita 7 pF, délka kabelu 4 m, výstupní konektor BNC. Další sondu HV-P60 s poměrem 1/2000 lze použít pro maximální napětí do 60 kV pro sinusovou vlnu a do 80 kV pro pulzní signál. Vstupní impedance sondy je 1000 MΩ, vstupní kapacita je 5 pF. Vážnost těchto produktů je výmluvně indikována jejich vysokou cenou - přibližně 66 000 a 124 000 rublů (podle ceníku Elix).
Frekvenčně korigované sondy
K opravě frekvenční odezvy osciloskopů se často používají pasivní sondy. Někdy se jedná o korekci určenou k rozšíření kmitočtového pásma, ale častěji se řeší inverzní problém - zúžení kmitočtového pásma, aby se snížil účinek šumu při pozorování nízkoúrovňových signálů a eliminovaly rychlé rázy na okrajích pulzních signálů.
Tyto sondy (P2200) jsou součástí běžných osciloskopů Tektronix TDS 1000B / 2000B. Jejich vzhled je znázorněn na obr. 5.6.
Hlavní parametry sond jsou uvedeny v tabulce. 5.1.
Tabulka 5.1. Základní parametry pasivních sond P2200
Postava: 5.6. Pasivní sonda P2200 se zabudovaným nízkoprůchodovým filtrem v poloze přepínače dělení napětí 1/10
Od stolu. 5.1 je jasně vidět, že použití sondy s dělicím faktorem 1/1 je vhodné pouze při studiu nízkofrekvenčních zařízení, kdy je dostatečné frekvenční pásmo až 6,5 MHz. Ve všech ostatních případech je vhodné provozovat sondu s dělicím faktorem 1/10. V tomto případě se vstupní kapacita sníží ze 110 pF na přibližně 15 pF a frekvenční pásmo se rozšíří z 6,5 MHz na 200 MHz. Oscilogramy meandru s frekvencí 10 MHz, zobrazené na obr. 5.7, dobře ilustrujte stupeň zkreslení oscilogramů v dílcích 1/10 a 1/1. V obou případech bylo použito standardní připojení sondy se zapojovací tryskou a dlouhým uzemňovacím drátem (10 cm) s krokodýlem. Z generátoru Tektronix AFG 3101 byla získána čtvercová vlna s dobou náběhu 5 ns.
Postava: 5.7. 10 MHz obdélníkový osciloskop s použitím 200 MHz osciloskopu Tektronix TDS 2024B se sondami P2200 v dělení 1/10 (horní stopa) a 1/1 (dolní stopa)
Je snadné vidět, že v obou případech jsou oscilogramy pozorovaného signálu (a jsou blízké ideálu pro generátory AFG 3101 na frekvenci 10 MHz a mají hladké vrcholy bez náznaku vyzvánění). Povaha zkreslení je však jiná. Když je dělič 1/10, tvar vlny se blíží čtvercové vlně a má krátké hrany, ale je zkreslený tlumenými oscilacemi vyplývajícími z indukčnosti dlouhého uzemňovacího vodiče - obr. 8. A v pozici děliče 1/1 zmírněné tlumené kmity zmizely, ale je patrné výrazné zvýšení časové konstanty systému „sonda-osciloskop“. Výsledkem je, že místo meandru jsou pozorovány pilovité pulzy s exponenciálním nárůstem a poklesem.
Postava: 5.8. Schéma připojení sondy k zátěži RL
Sondy s vestavěnou korekcí by měly být používány striktně pro jejich zamýšlený účel, s přihlédnutím k velkému rozdílu ve frekvenčních charakteristikách v různých polohách děliče napětí.
Zohlednění parametrů sondy
Typická data obvodu dáváme na obr. 5.8: vnitřní odpor zdroje signálu Ri \u003d 50 Ohm, odpor zátěže RL \u003e\u003e Ri, vstupní impedance sondy RP \u003d 10 MΩ, vstupní kapacita sondy CP \u003d 15 pF. S takovými daty prvků obvodu se degeneruje do sériového oscilačního obvodu obsahujícího odpor R≈Ri, indukčnost zemního vodiče L≈LG (asi 100-120 nH) a kapacitu C≈CP.
Pokud je na vstup takového obvodu aplikován ideální úbytek napětí E, pak bude časová závislost napětí na C (a vstupu osciloskopu) vypadat takto:
(5.5)
Výpočty ukazují, že tato závislost může mít významný překmit při velkém L a malém R, což je pozorováno v horním oscilogramu na obr. 5.7. Při α / δ \u003d 1 není tento nárůst vyšší než 4% amplitudy poklesu, což je docela uspokojivý indikátor. Za tímto účelem musí být hodnota L \u003d LG zvolena rovna:
Například pokud C \u003d 15 pF a R \u003d 50 ohmů, pak L \u003d 19 nH. Chcete-li snížit L na takovou hodnotu (z typického řádu 100 - 120 nH pro zemnící vodič dlouhý 10 cm), je nutné zkrátit zemnící (případně signální) vodič na délku menší než 2 cm. , odstraňte špičku z hlavy sondy a přestaňte používat standardní zemnicí vodiče. Začátek sondy bude v tomto případě představován kontaktní jehlou a válcovým uzemňovacím proužkem (obrázek 5.9) s nízkou indukčností.
Postava: 5.9. Hlava sondy s odstraněnou špičkou (vlevo) a koaxiální adaptér (vpravo)
Účinnost opatření používaných v boji proti „zvonění“ je znázorněna na obr. 5.10. Zobrazuje oscilogramy čtvercových vln 10 MHz, když je sonda zapnutá normálně a zapnutá s odstraněnou sondou a bez dlouhého zemnicího vodiče. Téměř úplné odstranění zjevných tlumených oscilačních procesů je jasně vidět na spodním oscilogramu. Malé zvlnění nahoře je způsobeno vlnami v koaxiálním propojovacím kabelu, který v těchto sondách pracuje bez přizpůsobení výstupu, což způsobuje odrazy signálu.
Postava: 5.10. Oscilogramy čtvercové vlny 10 MHz, když je sonda normálně zapnutá (horní oscilogram) a zapnutá s odstraněnou tryskou a bez dlouhého zemnicího vodiče (spodní oscilogram)
Chcete-li získat oscilogramy s extrémně krátkými dobami náběhu a „zvoněním“, měli byste přijmout opatření k co největšímu snížení indukčnosti měřeného obvodu: odstraňte hrot sondy a připojte sondu pomocí jehly a válcové uzemňovací vložky. Měla by být přijata veškerá možná opatření ke snížení indukčnosti obvodu, ve kterém je signál pozorován.
Důležitými parametry systému sonda-osciloskop jsou doba náběhu systému (na úrovních 0,1 a 0,9) a šířka pásma nebo maximální frekvence (na úrovni odvíjení citlivosti o 3 dB). Pomocí známé hodnoty rezonanční frekvence obvodu
, (5.7)
pak lze hodnotu R vyjádřit jako rezonanční frekvenci obvodu, která určuje mezní frekvenci dráhy vychylovacího systému:
. (5.8)
Není těžké prokázat, že čas, aby napětí u (t) dosáhlo hodnoty E amplitudy poklesu, bude roven:
. (5.10)
Tato hodnota se obvykle bere jako doba ustálení sondy s optimální přechodovou odezvou. Celková doba náběhu osciloskopu se sondou lze odhadnout jako:
, (5.11)
kde tosc je doba náběhu osciloskopu (když je signál přiváděn přímo na vstup příslušného kanálu). Horní mezní frekvence fmax (což je také frekvenční pásmo) je definována jako
. (5.12).
Například osciloskop s t0 \u003d 1 ns má fmax \u003d 350 MHz. Někdy se multiplikátor 0,35 zvýší na 0,4-0,45, protože frekvenční odezva mnoha moderních osciloskopů s fmax\u003e 1 GHz se liší od gaussovského multiplikátoru, který je charakterizován multiplikátorem 0,35.
Nezapomeňte na další důležitý parametr sond - čas zpoždění signálu tc. Tento čas je určen především délkou lineárního zpoždění (na 1 m délky kabelu) a délkou kabelu. Obvykle se pohybuje od jednotek do desítek ns. Aby se zajistilo, že zpoždění neovlivní relativní polohu oscilogramů na displeji vícekanálového osciloskopu, musíte použít sondy stejného typu s kabely stejné délky ve všech kanálech.
Připojení sond ke zdrojům signálu
Sondy lze připojit k požadovaným bodům vyšetřovaných zařízení pomocí různých špiček, nástavců, háčků a „mikrokrokodýlů“, které jsou často součástí sady příslušenství sondy. Nejpřesnější měření se však většinou provádějí spojením s primární jehlou sondy - viz obr. 5,11 nebo dvě jehly. Při vývoji vysokofrekvenčních a pulzních zařízení na desce s plošnými spoji jsou k dispozici speciální kontaktní podložky nebo pozlacené otvory.
Postava: 5.11. Připojení sondy k podložkám desky plošných spojů testovaného zařízení
V dnešní době je obzvláště důležité připojit sondy ke kontaktním podložkám miniaturních desek plošných spojů, hybridních a monolitických integrovaných obvodů)